冗余技术在工业控制系统中的应用

       冗余，也就是备份。在工业控制或在航空、航天领域，为了提高设备运行的可靠性，一般都使用冗余的技术。本文主要介绍冗余技术在工业控制系统（DCS）中的应用。
       DCS系统(集散控制系统)是石油、化工、电力、冶金等领域中广泛使用的一种控制系统，主要对现场的温度、压力、流量、液位等参数进行显示和控制，对于某些涉及安全环保、产品质量的工艺参数需在软、硬件发生故障时自动切换到备用软、硬件设备上，这种能在发生故障时自动切换到备用的软、硬件设备上，而不影响原有系统运行状态的技术，称为“冗余”技术。
自控系统（DCS）硬件冗余主要在以下几个方面实现：

一、 电源冗余
电源冗余就是对DCS供电的交流电、直流电进行冗余，主要由以下4个层次：
1.系统电源冗余
       DCS的系统电源一般为220V的交流电，为了保证在市电断电情况下，能继续对现场的压力、温度等参数进行监控，故一般采用UPS对系统进行供电。UPS是一种独立于控制系统的设备，它一般由电池组、整流器、逆变器、高速电子切换开关等组成，见下图：
 

       UPS的基本原理：正常情况下由市电给DCS系统供电，给电池充电，而在市电故障时，在断电后很短的时间内（ms级），由电池组通过逆变器对系统供电，保证系统不掉电，能继续运行。
对某些要求更高可靠性的系统，采用多台UPS并机均流方式，这样可以几台UPS同时给控制系统提供220V电源，当一台UPS出现故障后，并机控制程序自动将该台UPS关机，其原负载由剩余的的UPS按照比例平均分配。

2.控制器电源
       控制器的电源一般为24V直流电源，它将UPS送来的220V交流电经过转换成24V电源供控制器使用，而电源转换器为了保证运行安全，一般也采取冗余技术，即使用二个电源转换器，当一个发生故障时，另一个能正常使用。如SIMENS的SITOP直流电源就可以实现这个功能。

3.数据卡电源
     对某些重要的工艺控制参数，需要对其数据采集卡的供电采用冗余方式，以确保如果其中供电的一块模块出现问题，不影响数据采集卡的正常工作。通常这些重要的工艺控制参数是关系到生产装置安全环保的重要参数或者是对平稳生产、产品质量起到重要作用的工艺参数。

4.现场仪表供电
   对某些现场仪表的供电是由卡件自身的24V输出供电的，这种方式的供电其实与数据卡电源供电方式一致。而对于某些外配24V电源对现场仪表进行供电的，则实现方式与控制器电源冗余方式一致。

二、 通讯冗余
1. 以太网冗余
      主要是指操作站、控制站之间的通讯冗余。一般操作站都配置两个网卡、控制站（单台）也需要配置两个网络接口，而对于冗余的控制器则需要配置4个网络接口，即每台控制站2个接口。这样就可以组成一个双网，仅IP地址中的网络不同。如192.168.0.1与192.168.1.1，它就可以是一台控制器中2个网络接口的地址。
2. 工业控制网冗余
      控制网冗余主要是指控制器与I/O卡件之间的数据通讯冗余。一般配置2块数据通讯卡来与I/O卡件进行数据通讯。

三、 控制部件冗余
1. 控制器冗余
       一般的DCS系统都设置为冗余系统，当一台控制器发生故障后，会自动切换当另一台控制，不影响数据的采集、控制。两台控制器之间的数据区采用两种方式，一种是公用数据区，另外一种是各自有数据区，处于热备的控制器实时从运行的控制器中读取数据，保存在自己的数据区中，从而可实现数据实行性。
2. I/O模块冗余
       对某些重要的I/O点来说，其正常采集关系到生产的正常，如一般将参与PID控制的I/O点进行冗余。对这些I/O点都采用双I/O模块，当运行模块发生问题或遇到故障会自动切换到热备的模块，从而保证对现场工艺参数采集和控制不间断。
      总之，冗余技术在工业控制领域的使用很广范，从电、通讯、数据处理、数据1/0等不同的层次实现冗余，保证生产的正常。近年来，某些更高可靠的场合使用3选2技术或多选2技术，使的系统的可靠性更高。